摘 要：某炼化公司临氢装置的机泵设备是采用皮带传动方式,不满足GB 50160—2008(2018版)《石油化学工业企业设计防火标准》有关要求,存在安全风险隐患,基于安全要求必须对该类机泵设备传动方式来进行改造,以确保公司制作依法合规。文章针对不同结构的转动设备,选不一样的传动方式,借助于SolidWorks软件对皮带轮进行建模,构造新的飞轮结构,同时结合生产实际需要修正了机泵设备的部分技术参数。改造后的机泵设备经过几个月的运行,结果显示:机泵振动、轴承温度、噪音满足相应规范要求;流量、扬程、电流、电压等技术性能达到使用上的要求,并能充分满足生产需求。上述根据结果得出,改造彻底清除了该类设备的安全风险隐患,同时还提高了机泵的运行效率,使其更加节能且安全可靠,达到了预期目的。该案例可为其他危险化学品企业同类安全风险隐患的治理整改提供借鉴。
某炼化公司加氢装置氢气往复式压缩机、原料往复泵和聚丙烯装置氢气往复式压缩机由于原进口机泵设备是采用皮带传动,不符合GB 50160—2008(2018版)《石油化学工业企业设计防火标准》(以下简称GB 50160)中第5.7.7条“可燃气体压缩机、液化烃、可以燃烧的液体泵不得使用皮带传动”的规定,需对机泵进行连接方式改造,以满足规范要求,确保公司制作依法合规。
本次机泵改造涉及到10万t/a高档白油加氢装置的氢气隔膜式压缩机1台、氢气往复式压缩机2台、白油原料往复泵2台和7万t/a聚丙烯装置氢气往复式压缩机2台,共计7台机泵。改造前机泵主要参数如表1所示。
针对机泵实际运作情况,本次改造不涉及机泵本体的改造,只是对其传动方式不满足规范要求的部分进行安全风险隐患治理。因此,维持传动电机额定功率、电压、频率、相序等主要技术参数不变,同时结合电机防爆等级要求和电机淘汰要求,选择符合标准要求的节能、防爆电机。
针对往复式压缩机和隔膜式压缩机的改造方案为:将原来的皮带传动方式改为电机+飞轮结构+压缩机,配套联轴器,以此来实现皮带传动方式到直接连接(简称直联)传动方式的转变。
针对往复泵的改造方案为:将原来的皮带传动方式改为电机+减速箱结构+往复泵,配套联轴器,以此来实现皮带传动方式到直联传动方式的转变。
由于机泵处于氢气环境和可燃气体环境,因此需根据防爆区域划分选择电机防爆结构。依据CB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》及目前的工程实践,通常在氢气环境1区条件下,选择隔爆型电动机Ex dIICT4;在氢气环境2区条件下,选择增安型电动机Ex eIIT3【1】。
因此,改造后的电机确定为:原有电机的额定功率保持不变,电压380 V,频率50 Hz,防护等级IP56,防爆等级Ex dIICT4 Gb,绝缘等级F。改造后的电机选择情况如表2所示。
在电机与往复泵间增设联轴器、减速机(配置同轴冷却风扇),将电机额定转速1 488 r/min减速至工艺生产需要的往复泵转速。设计减速机效率不低于96%,减速机的各部件强度按照输入功率不小于132 kW进行校核与配置,采用渐开线轮齿。泵组噪音按GB/T 4980—2003《容积式压缩机噪声的测定》检测不大于85 db; 机身振动烈度应符合GB/T 7777—2021《容积式压缩机机械振动测量与评价标准》的要求,最大不超过1.8 mm/s。
根据工艺需要,改造时同步把额定流量由20 m3/h降至15 m3/h左右,则往复泵的转速n1=额定转速×需求额定流量/原额定流量=228×15/20=171 r/min。
减速机的传动比i=输入轴转速/输出轴转速=1 488/171=8.7,取传动比i=8。
减速机的实际输出转速即为往复泵实际转速n2,即n2=减速机输入轴转速/减速机传动比=1 488/8=186 r/min,其实际流量Q=额定流量×往复泵实际转速/往复泵额定转速=20×186/228=16.3 m3/h,基本满足工艺要求。
根据扭矩以及减速机轴径,最终计算确定减速机输入端轴径同电机,为φ85 mm,输出端轴径为φ140 mm。
往复式压缩机、隔膜式压缩机的脉动机械特性决定了机组直联传动在稳定运转过程中将呈现周期性的变化。因此,皮带传动改为直联传动后,需在机械中安装一个具有很大转动惯量的回转构件——飞轮,以调节机械的周期性速度波动【2】。
飞轮的最佳设计是用最少的材料获得最大的转动惯量,即尽可能把质量集中在轮缘上。因此,大轮缘的轮幅式飞轮(一般由轮缘、轮毂、轮幅组成)应用较广,常见飞轮结构如图1所示。
现场测绘原机泵大皮带轮的尺寸、形状,在SolidWorks软件上通过三维建模(简化内部键槽、孔等),计算出原大皮带轮的质量和转动惯量;保持机组运动关系不变,结合机组实际轴头尺寸、连接型式及安装空间等,初步生成新的飞轮结构、尺寸,并在SolidWorks软件中建模,计算新飞轮的质量和转动惯量。同时,模拟机组运动情况,对运动的零部件进行动态的干涉检查。
飞轮的两个端面、曲轴连接盘端面平行度、螺栓孔与端面垂直度允差最大均不允许超出0.02 mm,飞轮端面、连接盘端面安装贴合接触面积至少要达到85%。
飞轮出厂前进行动平衡试验,精度满足ISO 1940-1∶2003《转子刚体的平衡质量》中的G2.5级要求;飞轮外圆设置盘车插孔,沿周向均布,插孔数量不可以少于8个,以便于机组盘车。
由于改造机泵的飞轮有筋、孔和花键等,形状不规则,很难用公式计算出其转动惯量,以前需要通过试验的办法来进行精确测定,现在借助SolidWorks软件就可以轻松计算出来。
在SolidWorks中建模完成后,打开SolidWorks“质量特性”命令,能够正常的看到零件的密度、质量、体积、表面积、重心及转动力矩等信息。输入飞轮相关尺寸即可得到飞轮的转动惯量。
实物测绘的隔膜式压缩机原大皮带轮结构尺寸如图2所示。根据简化三维模型(见图3),计算出隔膜式压缩机原大皮带轮的转动惯量为208.54 kg·m2。
根据隔膜式压缩机新飞轮简化三维模型(见图4),确定隔膜式压缩机新飞轮结构尺寸及其转动惯量,其中,新飞轮结构尺寸见图5,转动惯量为199.51 kg·m2,为原大皮带轮的95.67%。
实物测绘的往复式压缩机1原大皮带轮结构尺寸如图6所示。根据往复式压缩机1原大皮带轮简化三维模型(见图7),计算出往复式压缩机1原大皮带轮的转动惯量为260.75 kg·m2。
根据往复式压缩机1新飞轮简化三维模型(见图8),确定往复式压缩机1新飞轮结构尺寸及其转动惯量,其中,新飞轮结构尺寸见图9,转动惯量为248.29 kg·m2,为原大皮带轮的95.22%。
实物测绘的往复式压缩机2原大皮带轮结构尺寸如图10所示。根据往复式压缩机2原大皮带轮简化三维模型(见图11),计算出往复式压缩机2原大皮带轮的转动惯量为7.19 kg·m2。
根据往复式压缩机2新飞轮简化三维模型(见图12),确定往复式压缩机2新飞轮结构尺寸及其转动惯量,其中,新飞轮结构尺寸见图13,转动惯量为6.49 kg·m2,为原大皮带轮的90.3%。
往复式压缩机选用符合GB/T 4323—2017《弹性套柱销联轴器标准》的柱销联轴器,根据飞轮转动惯量量身定制。
往复泵和电机选择使用中间带加长段叠片的挠性联轴器。叠片挠性联轴器应有足够的强度和刚度,其扭矩应能满足机组启动时所需最大扭矩要求。机组在任何情况下启动时,叠片挠性联轴器中的叠片、螺栓、对轮、中间联轴节等所有部件均不得出现因强度、刚度不足而造成的变形或损坏现象,且叠片挠性联轴器使用系数不低于1.75。
按照GB/T 8196—2018《机械安全 防护装置固定式和活动式防护装置的设计与制造一般要求》,联轴器安全防护罩采用全封闭无火花铝合金防护罩。防护罩应能覆盖所有可能危及人身安全的运动部件。
改造准备工作就绪后,于2022年10月开始对机泵进行正式改造。拆除原电机及相关部位设施,重新制作电机基础,并按照GB 50231—2009《机械设施安装工程项目施工及验收通用规范》完成机泵的安装、调试等工作。改造完成后,于2023年1月正式开车运行(机泵采用零负荷启动)至今。运作情况表明:机泵振动、轴承温度、噪音满足相应规范要求;流量、扬程、电流、电压等技术性能达到使用上的要求,并能充分满足生产需求。本次改造对该类设备存在的安全风险隐患进行了彻底治理,同时也提高了机泵的运行效率,达到了预期目的。该案例可为其他危险化学品企业同类隐患的治理整改提供借鉴。
1) 由于往复式压缩机1、隔膜式压缩机的电机功率不大,因此未选择需要励磁控制的同步电动机,节省了投资。但是,由于电机的转速与压缩机的额定转速不一致,限制了压缩机的最大流量(但可满足一般用量)。隔膜式压缩机则通过增设变频器调整电机工作频率解决了此问题。
2) 飞轮的计算有待逐步优化。目前的建模计算要求业主方必须要提供比较详实的技术数据,以确保计算结果能够一次通过。本次改造中,由于往复式压缩机1制造时间相对来说比较早,且为进口设备,缺少基础数据,因此,只可以通过现场对大皮带轮进行粗略测绘获得相应数据,导致计算过程中修改了2次,才满足了新飞轮的实际工况要求。
1) 对皮带传动方式的机组进行直联方式的改造,满足了规范对安全的要求,彻底整治了机泵存在的安全风险隐患,保证了企业依法合规生产。
2) 直联传动方式与皮带轮传动相比,提高了机组的传动效率,节能且更安全可靠。
随着我国石化工业迅猛发展，部分早期建设的石化装置已运行较长年限，设备疲劳、管道老化、系统故障率上升等问题逐步显现，生产稳定性、设备可靠性逐年降低，安全风险增大，近几年已引发多起事故。开展老旧装置安全风险防控专项整治，提升设备正常运行管理、智能化运维、检维修技术提升、设备管理人员安全培训，是全面保障石化行业设施长周期运行的重要举措，是统筹好发展和安全、坚决遏制重特大事故的必然要求。
认真落实全国安全生产电视电话会议部署和安全生产治本攻坚三年行动方案安排，突出重大安全风险防控，坚决淘汰一批、退出一批、更新改造一批安全风险高的老旧装置设备，有效提升石化企业本质安全度，真正从根本上消除事故隐患、从根本上处理问题，有效遏制重特大事故发生。为实现设备“安稳长满优”运行，推动石化企业设备管理与“智慧+预知性维修”深层次地融合、协同发展，搭建石化企业与设备预知性维护、智慧运维、老旧装置设备改造升级、设备国产化、大修管理、检修服务供应商交流合作平台，促进石化行业设施管理与检维修技术进步，中国石油和石化工程研究会联合各方拟定2024年11月6-8号江苏南京继续召开“2024第十届石化设备运维管理与检修技术大会”。
大会将邀请炼油化工、石化、煤化工、化工企业设备管理部门、科研机构、智慧运维、设备预知性维护、故障诊断、建安检维修、设备制造等企业，紧紧围绕“拥抱“智慧+预知性维修”新时代：推动设备运维质量、效率和动力变革”为主题，组织石化行业设施专家就目前设备管理体系建设、设备完整性管理、先进的技术应用、热点难点问题、检维修管理、在建项目设备选型和监造验收、设备风险识别与控制、设备运行KPI指标对标等进行深入交流、研讨，力求达到行业信息共享、技术共享、经验共享、资源共享，结合我国石化行业发展新质生产力，促进数字化的经济和实体经济深层次地融合，提高石化企业设备管理完整可靠性、提升专业方面技术水平、筑牢本质安全基础，打造数字化、网络化、智能化工厂。
10.石化企业大型装置、厂区管廊运维数字化转型、无人化升级方案，巡检机器人、火情侦测与消防机器人、无人机等新型技术的应用；
13.石化企业罐区在役老旧改造优化（原油储罐安全预警、雷电预警装置、内浮顶选型、消防安全、罐顶腐蚀、爬壁机器人、油罐浮盘密封、水力、抛丸等除锈等）；
16.可燃有毒气体泄漏检测、报警系统、火灾监测与预防系统在石化企业安全改造中的应用；
18.石化企业运维检修新技术、新工艺、新方案及压缩机、烟气轮机、反应器、换热器、控制管理系统、工业泵、阀门、密封件与材料、仪器仪表、电气设备、分析仪器、新材料、核心部件、5G工业设施、智能巡检终端设备、机器人、技术改造、检维修工具、监测检测技术及装备、风险评价与完整性管理、应急抢修技术及装备、智能化等国产化技术应用。
拟邀请代表：中石化、中石油、中海油、延长石油、中化、国家能源、地方炼化下属公司设备管理、物资采购、电气仪表、机动处、设备处相关负责人、技术专家。国内外技术、设备、电工电气、仪器仪表、控制管理系统、信息技术供应厂商。
根据新时代新征程高水平发展的新要求，炼油与石化行业和广大企业正在通过实施创新驱动战略，推动炼油与石化产业加快绿色低碳和数字化转型、高质量和可持续发展，智能炼化、智能工程、智能储运及销售的智慧化转型已成为行业的必然趋势，自动控制系统、自动化仪器仪表作为智能炼化的基础和前提，在炼化行业中的作用更为突出。为搭建行业解读国家有关部门政策、法律和法规、标准规范，解答疑点、难点、热点等技术问题平台，中国国际科技促进会炼油与石化专业委员会联合中国化工学会智能制造专业委员会共同主办，中国石化集团公司自动控制设计技术中心站、全国化工自动化及仪表信息站、中国石油安环院炼化设备技术研究与服务中心、中国职业安全健康协会防火防爆专业委员会协办，拟于2024年11月19-21日在山东淄博召开“2024年(第二届)炼油与石化仪表控制技术大会”。
大会将紧紧围绕“安全·可靠·智能·创新”主题，推广应用新技术、新方法、新成果和新产品，引领行业和企业管理与科学技术进步，推动全过程一体化管控，提升数字化车间、智能工厂、设备智能化运维、仪控设备老旧升级改造等示范标杆引领，强化工业互联网赋能促进炼油与石化产业及相关仪表控制技术创新健康、有序、高水平质量的发展。诚邀各炼油、石化、煤化工、化工公司制作企业设备管理部门、仪控中心及建安检维修、技术服务、仪表控制供应厂商积极参与。
6. 炼化、煤化工、化工企业“智能工厂”、数据采集、设备在线监测、先进控制管理系统、过程优化、过程安全、可视化、通信、安全、节能、环保、优化控制、数据分析与智能决策等关键技术；
7. 炼化、煤化工生产的全部过程所需关键仪表自控系统及应用，包括重要现场仪表（安全仪表、流量计、压力仪表液位计、物位仪、温度仪表、执行器等）；
8. 安全仪表系统（SIS）、现场仪表、控制阀、执行器、自动控制管理系统、APC先进过程控制管理系统、DCS控制管理系统在炼化、煤化工装置上的应用及国产化介绍；
9. 国内外生产的检测、监测仪表、分析仪表、控制仪表在炼化、煤化工企业的应用比较；
10. 可燃有毒气体泄漏检测、报警系统、火灾监测与预防系统在炼化企业安全改造中的应用；
11. 炼化、煤化工工程数字化设计、数字孪生、数字化交付、数字化智能化工厂实践、施工管理、智能化建造、运营管理经验介绍；
13. VOCs治理、烟气合规排放、污水处理、污泥处理等环保设施的控制监测、仪表选型；
14. “绿电”、“绿氢”等新能源生产、储存设施自动控制、仪表选型及应用；
16. 仪控先进设备、国产化、先进控制管理系统及软件、智能化、应用案例、检维修等；
24. 炼化、煤化工、化工企业ERP、DCS、MES、APC、PCS、SCADA、SIS、FGS、PLC、现场总线控制系统、现场仪表、控制阀、过程分析仪表、无人机、机器人、无线通信数字防爆对讲机、自动化控制仪器仪表、流量仪、测控仪器、分析仪器、新产品、新技术、新应用。
参会代表：中石化、中石油、中海油、中化、国家能源及延长石油、浙石化、扬巴、中沙、鲁西、伊泰、东明石化、恒力石化等中央、地方、民营及合资炼化、石化、煤化工、化工公司制作管理、仪表自控、安环计量、设备管理、信息技术相关负责人免会议费；国内外技术、设备、仪器仪表、控制管理系统、信息技术供应厂商。
